配筋与养护方式对MgO膨胀混凝土膨胀效应的影响

朱成，欧伟山，于方，李永超

（1.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510230；2.中交四航工程研究院有限公司，水工构造物耐久性技术交通运输行业重点实验室，广东 广州 510230）

0 引言

掺入混凝土膨胀剂是控制混凝土由于体积收缩而产生裂缝的有效手段之一[1]。目前在工程上应用较为广泛的膨胀剂中，氧化镁（MgO）膨胀剂因水化反应需水量少、膨胀反应可控、水化产物稳定、可补偿混凝土中后期收缩等特点，近年来逐渐受到混凝土工程领域的关注[2]。

近年来，研究人员对MgO膨胀混凝土产生补偿收缩效果的影响因素进行了大量的研究，主要包括MgO掺量、MgO细度、矿物掺合料、养护环境、混凝土水胶比等[3-7]，为MgO膨胀剂在工程中的应用和推广提供了大量的试验数据。但在采用后浇带的混凝土工程中，后浇带混凝土结构配筋率和钢筋应力也可能对补偿收缩效果产生影响，是不可忽视的影响因素。钢筋对混凝土的膨胀和收缩都存在着一定的抑制作用[8]，可能会因此削弱MgO膨胀混凝土的体积变形效应。而针对设置后浇带的沉管，由于新旧节段的浇筑时间间隔一般较长，在新节段浇筑后可能导致后浇带钢筋产生较大的拉应力，该拉应力的存在可能会削弱后浇带MgO膨胀混凝土的膨胀效应。此外，现场施工的养护条件也是影响MgO膨胀混凝土的重要因素，但目前关于养护方式对于MgO膨胀混凝土膨胀效应时变规律的研究尚较少。

因此，本文通过研究不同配筋率、钢筋应力和养护方式下MgO膨胀混凝土的膨胀效应，分析了上述3个因素对MgO膨胀混凝土膨胀效应时变规律的影响，提出MgO膨胀剂混凝土考虑上述影响因素的调控措施，为MgO膨胀剂在大体积混凝土工程中的应用和推广提供参考。

1 材料与试验

1.1 原材料及配合比

混凝土的配合比如表1所示。其中，水泥为P·Ⅱ42.5R级水泥；粉煤灰为F类Ⅱ级；河砂为东江中砂，细度模数2.6；外加剂为江苏苏博特新材料有限公司生产的缓凝型高效减水剂，含固量14.5%，减水率27%；膨胀剂为苏博特新材料股份有限公司生产的轻烧氧化镁膨胀剂（活性120 s），其性能指标和组成成分分别见表2和表3。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio kg/m3

表2 MgO膨胀剂性能指标Table 2 Performance indicators of MgO expansion agent

表3 MgO膨胀剂化学组成重量百分比Table 3 Chemical composition weight percentage of MgO expansion agent%

1.2 试件制作及测试

1）配筋率对MgO膨胀混凝土膨胀效应的影响试验

考虑广州某工程沉管隧道后浇带配筋率大小，分别制作φ6、φ10、φ14、φ20、φ25直径的带肋钢筋混凝土纵向限位器（相应的配筋率大小分别为0.28%、0.50%、0.79%、1.54%、3.14%和4.91%），根据T/CECS 540—2018《混凝土用氧化镁膨胀剂应用技术规程》成型100 mm×100 mm×300 mm的混凝土限制膨胀试件，试件在（20±2）℃下成型并在标准养护条件下养护，拆模后采用水浴养护（40℃），并于1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、42 d、56 d、90 d、120 d和150 d对其限制膨胀值进行测试。

2）钢筋应力MgO膨胀混凝土膨胀效应的影响试验

本研究所选用的螺纹为8 mm直径的带肋螺纹钢，经过测试其极限荷载为20.09 kN。钢筋应力大小的设置根据广州某沉管隧道所监测到的后浇带钢筋（直径为25 mm的HRB400级钢筋）在已浇节段情况下，后浇带钢筋会产生的荷载大小为42.1 kN，约为极限荷载的20%，因此本文采用加载装置对钢筋（8 mm直径）施加不同0%、5%、10%、15%和20%荷载大小的力，通过力传感器监测加载太小，加载完毕后采用固定螺母锁定，实现钢筋受到持续荷载作用，然后成型300 mm×100 mm×100 mm混凝土试样，放在标准养护室内养护，并采用珠海华峰无线检测系统。加载装置、成型试件与监测如图1所示。

图1 加载示意图Fig.1 Schematic diagram of loading

3）养护方式对MgO膨胀混凝土膨胀效应的影响试验

成型浇筑试件，试验采用直径φ10的带肋钢筋混凝土纵向限位器，每组成型3个试件，对每组试块分别采用高分子养护膜覆盖养护、标准养护（（20±1）℃、RH≥95%）、土工布覆盖定期洒水养护，于拆模后3 d、7 d、14 d、28 d、42 d、60 d、90 d时测试其限制膨胀值。

2 试验结果与分析

2.1 配筋率对混凝土限制膨胀率的影响

40℃水浴条件下养护，不同配筋率下MgO膨胀混凝土的限制膨胀率时变规律曲线图如图2所示。养护150 d后，配筋率为0.28%、0.50%、0.79%、1.54%、3.14%和4.91%的MgO膨胀混凝土的限制膨胀率分别为0.060%、0.049%，0.046%、0.039%、0.023%和0.009%，试件基本在前期的膨胀效能发挥较为充分，在90 d后膨胀效应发展较慢，试验结果符合轻烧氧化镁的膨胀效应发挥特征[9]。数据表明，配筋率为0.28%时，MgO膨胀混凝土的限制膨胀率最大，达0.060%，而配筋率为4.91%时最小，仅0.008%，两者相差达0.038%。可见，混凝土配筋过大时会明显降低MgO膨胀混凝土的最终膨胀量。主要是由于在钢筋混凝土结构中，混凝土内部的约束是靠混凝土和钢筋的黏结力来实现的，而随着配筋率的增大，钢筋对MgO膨胀混凝土变形的限制作用增大[8]，从而削弱MgO膨胀剂的膨胀效应，降低了MgO膨胀剂对混凝土的补偿收缩作用。

图2 配筋率对MgO膨胀混凝土限制膨胀率的影响Fig.2 The effect of reinforcement ratio on the limiting expansion rate of MgO expansive concrete

然而，配筋率增大对混凝土试件的膨胀效应影响并不完全是线性关系，由图2还能观察到，配筋率为0.28%～1.54%之间，150 d时混凝土试件的限制膨胀率相差最大仅为0.021%，而随着配筋率增大为4.90%，两者相差达到了0.051%，表明掺入MgO膨胀剂的混凝土存在一个适宜的配筋率范围。当配筋率超过1.54%时候，配筋率这一因素会对MgO膨胀混凝土的膨胀效应产生明显的抑制作用，需对MgO膨胀剂的掺量进行调控，增大MgO膨胀混凝土的膨胀效应，以满足工程中混凝土的体积变形调控要求。

配筋率对MgO膨胀混凝土限制膨胀速率的影响如图3所示。从图中可见，除膨胀量外，配筋率对MgO膨胀混凝土的膨胀速率及膨胀停止时间同样也有影响。在前3 d，配筋率为0.28%的MgO混凝土膨胀速率最快，配筋率越高的混凝土基本上膨胀得越慢。养护28 d后，配筋率为3.14%和4.91%的试件膨胀基本停止，此后基本保持稳定，配筋率为1.54%、0.79%、0.50%的试件则分别持续到90 d、120 d后才基本停止膨胀，而配筋率为0.28%的试件，在120 d后，仍然能产生一定的膨胀量，因此在MgO膨胀剂混凝土中应考虑配筋率的限制。

图3 配筋率对MgO膨胀混凝土限制膨胀速率的影响Fig.3 The effect of reinforcement ratio on the limiting expansion speed of MgO expansive concrete

2.2 钢筋应力对混凝土限制膨胀率的影响

钢筋应力对MgO膨胀混凝土限制膨胀率的影响见图4。由图4可看出，钢筋施加应力的变化对MgO混凝土的膨胀效应并没有明显的区别，在养护460 h后，0%、5%、10%、15%、20%钢筋应力下混凝土的应变值分别为279.2με、258.7με、283.5με、259.1με、284.7με。这表明0~20%钢筋应力的大小并不会对MgO膨胀混凝土的膨胀效应产生不利的作用。

图4 钢筋应力对MgO膨胀混凝土限制膨胀率的影响Fig.4 The effect of reinforcement stress on the limiting expansion rate of MgO expansive concrete

由于后浇混凝土只是与钢筋有表面接触，虽然钢筋有拉应力，但钢筋始终锚固在夹具两端，钢筋并无放张，故无法产生力的传导，因此钢筋应力对MgO膨胀混凝土的膨胀效应并不会产生明显的影响，同理可说明在沉管隧道采用分节段法施工时，即使后浇带的钢筋会受到较大的应力作用，但是并不会对MgO膨胀混凝土的体积变形带来削弱作用。

2.3 养护工艺对混凝土限制膨胀率的影响

图5所示为养护方式对MgO膨胀混凝土限制膨胀率的影响。由图5可得，养护28 d时，标准养护、土工布覆盖养护和高分子膜覆盖养护下MgO膨胀混凝土的限制膨胀率分别为0.021%、0.060%和0.034%。

图5 养护方式对MgO膨胀混凝土限制膨胀率的影响Fig.5 The effect of curing methods on the limiting expansion rate of MgO expansive concrete

数据表明MgO膨胀混凝土在标准养护和高分子养护条件下均能够达到T/CECS 540—2018《混凝土用氧化镁膨胀剂应用技术规程》规定的后浇带、膨胀加强度带的28 d限制膨胀率设计取值（0.020%）。而高分子养护膜覆盖养护更能促进MgO膨胀混凝土的膨胀效应，这是由于高分子养护膜具有较强的保湿和保温作用[10]，而在养护温度和湿度较大的情况下，更能促进MgO晶体的水化反应，加速了Mg2+和OH-的迁移，生成大量的Mg（OH）2晶体[11]，当大量的Mg（OH）2晶体之间相互挤压或者挤压周边浆体，便会形成应力，进而使周围浆体膨胀，导致混凝土在短时间内产生了较大的膨胀量。

然而在养护90 d后，标准养护方式更能促进MgO膨胀混凝土的膨胀效应，标准养护、土工布覆盖养护、高分子膜覆盖养护的限制膨胀率分别为0.041%、0.013%、0.037%。这表明在养护后期，标准养护方式更有利于MgO膨胀混凝土发挥膨胀效应。但考虑到大体积混凝土在初期（7 d）会产生较大收缩[12]和便于现场施工的因素，故建议选择高分子膜覆盖养护方式。

3 结语

本文通过研究不同配筋率、钢筋应力和养护方式下MgO膨胀混凝土限制膨胀率的经时变曲线，主要得到以下结论：

1）随着配筋率增大，MgO膨胀混凝土的限制膨胀率和限制膨胀率增长速率呈现下降的趋势。

2）配筋率对MgO膨胀混凝土的膨胀效应产生的影响并不是线性关系，存在适宜的配筋率范围，当配筋率超过1.54%时，会对MgO膨胀混凝土的膨胀效应产生明显抑制作用。

3）钢筋施加0~20%持续应力变化对MgO膨胀混凝土膨胀效应的影响并不明显，养护460 h后，钢筋在0%、5%、10%、15%、20%应力状态下MgO膨胀混凝土应变值分别为279με、258με、283με、259με、284με。

4）高分子膜覆盖养护在前期能有效促进MgO混凝土的膨胀效应，但在后期要小于标准养护方式对MgO混凝土的膨胀促进作用。